Сточные воды. Биологическая очистка сточных вод

Основана на способности микроорганизмов использовать растворенные загрязнения в качестве источника питания и минерализовать их в процессе жизнедеятельности. По объему перерабатываемых потоков биологическая очистки является самой крупнотоннажной технологией и применяется для различных очистных сооружений: производственных, городских, локальных, придомовых.

Сточные воды как объекты очистки

Очистку сточных вод проводит с целью удаления из них органических и неорганических загрязнений до конц., не превышающий ПДК. Нормативы качества и объемы сбрасываемые воды устанавливается с учётом процессов самоочищении в водоеме, содержание фоновых загрязнений и зависит от категории водоема: для хоз.-питьевых целей; для культурно бытового водопользования; для рыбохозяйственных целей. Для определения характера и степени загрязненности сточных вод, качества очистки исп. следующие показатели: *Органолептические показатели: цвет, вид, запах, мутность и прозрачность; *физико-хим. показатели: pH, t, ОВпотенциал, суммарная минерализация электропроводность; *содержание Fe, Mn, SO4-, Cl-, силикатов, соединения азота и фосфора; *кислотность/щелочность; *содержание синтетических ПАВ, растворённый О2, БПК, ХПК (биолог./хим. потребление О2); * санитарно микробиологические показатели: общее микробиологическое число; число бактерий группы кишечной палочки. Для комплексной оценки уровня загрязненности воды исп. индекс качества воды, учитывающий широкий спектр загрязнений и показателей качества воды (6-7 показателей). Сточные воды подразделяются: атмосферные (дождевые и талые); *бытовые (городские и хоз-бытовые); производственные и промышленные. Атмосферные воды загрязняются минеральными и органическими взвесями, веществами которые смываются с поверхности почвы и дорожных покрытий. В городских районных такие воды также могут содержать нефтепродукты, а в сельской местности компоненты удобрений. Бытовые сточные воды содержит 50 – 60% органических и 40 – 50% минеральных веществ. Как правило, бытовые сточные воды содержит избыток N2 и Р по отношению к С. Количественный и качественный состав производственных СВ достаточно разнообразен и зависит от: *Отрасли промышленности; *её технологических процессов; *вида и качества исп. сырья; *применение схем повторного использования и так далее. Среди СВ промышленных предприятий выделяют: *Условно чистые (первая категория); *Транспортно-моечные – могут быть загрязнены минеральными примесями и растворимо составляющими загрязнениями; *производственно загрязнённые и хоз-бытовые. Вода данной Категории содержит органические минералы, фосфаты, щёлочи, кислоты, моющие средства. Примеры: для сточных вод пищевой, фармацевтической, микробиологической, целлюлознобумажной отраслей промышленности характерны высокие концентрации и биологически легко разлагаемых органических загрязнений. СВ нефтеперерабатывающих, нефтихим. заводов, предприятий органического синтеза содержат различные нефтепродукты, аммиак, альдегиды, смол, фенолы и др. вредные ве-ва, многие из которых устойчивы в биологическом разложение. В данном случае, в схеме очистки СВ перед биолог. очистки вводят доп. стадию разбавления.

Пример: СВ сульфатных и содоводы заводов, а также обогатительные фабрики свинцовых и никелевых руд будут содержать кислоты, щёлочи, соли и ионы тяжелых металлов.

Таким образом, не сущ. универсального метода и технологии очистки СВ и сейчас исп. комбинации из различных методов, для каждого типа сточных вод необходимо подобрать комплекс методов очистки.

Общие принципы очистки сточных вод

Задача подготовительной очистки – подготовка СВ для обеспечения возможности их транспортирования и дальнейшей очистки с этой целью исп.: усреднение СВ – проводит в ёмкости усреднителей с мешалками и аэрацией воздуха; *Нейтрализации сточных вод – используются растворы кислот и щелочей; охлаждения горячих вот, удаление взрывоопасных газов и др. процедуры.

Для извлечения примесей исп. любые методы очистки, сопровождающиеся выделением загрязнения из воды виде тв, ж, или газообразных фаз.

Примеры методов для удаления примесей: осаждения взвесей в отстойниках, центрифугирования и сегментация, флотация и электрофлотация, экстракция фенолов органическими растворителями, адсорбция на активированном угле, ионообменных смолах, сорбентах, фильтрование через нейтрализующие материал, реагентная обработка коагулянта на основе Fe 3+, Al3+, хим. осаждения термическое упаривания и мембраны и разделение. Среди всех методов извлечение примесей наиболее важно механическая очистка, Предназначенные для задержания не растворённых примеси и используемые практически во всех схемах очистки.

К сооружениям механической очистки относят решетки и сито (для крупных примесей); песколовки (минеральных примесей и песка); отстойники и ловушки (для плавающих и медленнооседающих); фильтры(для мелких нерастворенных примесей). Остаточное содержание загрязнений после излечения примеси остается большим, поэтому дальнейшую очистку проводит один из методов деструкции (разрушение) с переводом загрязнения безводного соединения. Методы деструктивный очистки связаны с разрушением загрязнений, окислением и восстановлением до без вредных веществ, и удалением части продуктов реакции виде осадков и газов.

Типичная схема биологической очистки сточных вод с аэротенком:

Нужны для выделения источных вод (ИВ) для удаления тяжелых минеральных примесей, в основном - песка. Наиболее распространённой конструкцией - горизонтальная и продолжительность пребывания воды 30-60 секунд. Первичный отстойник исп. практически во всех схемах очистных сооружений.

Типы отстойников и их применение

Тип	Назначение и применение
Проточные первичные с кратковре-	Сточные воды из канализационной сети или по-
менным хранением осадка	сле решетки; перед искусственной биологической
(до 2–3 сут)	очисткой; как самостоятельный метод очистки при
	наличии мощного водоема с большой способно-
	стью к самоочищению; при сбраживании осадка
	в метантенках
Проточные вторичные с кратковре-	Осветление сточных вод после искусственной
менным хранением осадка	биологической очистки; после 2-ярусных отстой-
	ников для улавливания взвешенных веществ, вы-
	несенных с биологических сооружений и после
	хлорирования
Проточные первичные с длительным	Перед естественной и искусственной биологиче-
хранением и сбраживанием осадка.	ской очисткой, когда одновременно происходит
Септики, 2-ярусные отстойники	и осветление стоков от осадков, и обезврежива-
	ние путем перегнивания
Септики	Хлорирование, обработка другим химическим
	способом (например, мыльных сточных вод изве-
	стью)
Осветлители	Одновременное отстаивание и фильтрация сточ-
	ных вод через слой взвешенного осадка
Уплотнители	Уплотнение осадков сточных вод

Первичные отстойники исп. для удаления взвешенных ве-в и осветления стоков перед стадией биологической очистки.Вторичные отстойники исп. в двух целях: *для осветления сточных вод после биологической очистки; * для утоплениях активного ила и его возврата на биологическую очистку.

Отстойники по конструкции бывают: вертикальные, горизонтальны и радиальные. Вертикальные отстойники исп. при расходе сточной воды не более 10000 м3 в сутки. Горизонтальные с расходом воды от 10 до 100 тысяч м3 в сутки. Радиальные при расходе свыше 100 тысяч м3 в сутки.

В двуяростных отстойниках верхний ярус - для отстаивания воды, а низкий - для сбраживание осадка.

Наиболее важные хар-ки отстойников: *время пребывания; *нагрузка на единицу поверхности; *нагрузка по та ве-ву; * коэф. использования объёма отстойников.

Отстаивание и биологическая очистка не обеспечивают необходимого от удаления бактериальных загрязнителей, т.е. степень удаления патогенных и др. МО ~ 90-95%.

Для обеззараживания на стадии дочистят исп. хлорирование, дозонирования и отработку УФ. Наиболее распростр. явл. хлорирование жидкими или газообразным хлором. Недостаток хлорирования возможность образования высокотоксичных хлороорганияеских соед. и хлораминов. В более современных методах хлорирования исп. гипохлорит натрия, т.к. менее опасен в образовании, чем ж хлор. Также исп. - ClO2 - при его исп. токсичные соед. в воде не образуется, но энергозатраты на него исп. будут несколько выше.

Озонирование имеет следующие преимущества перед хлорированием: *бактерицидное действие О3 сильнее; *действует быстрее, чем Cl2; *способствует возвращению воде свежести; *хорошо устраняет запахи и привкусы. Недостатки: при малых дозах продукты озонирования некоторых органических соед. могут быть токсичны; более высокая стоимость О3 по сравнению с Cl2.

УФ-излучение: исп. с длиной волны 200-295 ни, при этом наблюдается наибольшее антимикробное действие из-за необратимых повреждений в молекуле ДНК; кроме того, в результате действия УФ у стоечной воде протекает ряд радикальных ре-ций, в которых участвуют также трудоокисляемые ве-ва. Для облучения исп. поверхностному или подгрудное расположение облучатель, и в зависимости от качества воды время облучения 5-15 минут. Однако УФ-излучение не имеет длительного последствия, что может привести к повторному загрязнению очищенных сточных вод.

Из др. способов обеззараживания и доочистки исп. обработку с внесением Н2О2, KMnO4, совместное действие Н2О2 и О3 и ещё Н2О2 + УФ-излучение.

Классификация методов биологической очистки сточных вод

1.Естественная (почвенные, водные, растительные экосистемы); 2.Искусственная (различные очистные сооружения): ⁃аэробная - по характеру биоценозов: системы с активным илом, с биопленкой и комбинированные; ⁃анаэробные.

Методы искусственной аэробной биологической очистки

1.С активным илом: аэретики; окситенки; фильтротенки; мембранные биореакторы; шахтные аппараты; аэроанселекторы; окислительные каналы; 2.Комбинированные: биотенки; биоадсорбенты; с псевдоожиженной насадкой; 3.С биопленкой: биофильтры (перноляцинные); биодиски; биобарабаны; симбиотенки.

Аэробная биологическая очистка с активным илом

Аэротенки - основное сооружение аэробной биологической очистки. Работает в паре со вторичным отстоян ком, возвратный (регулируемый) ил возвращается в аэротенки для повышения производительности.

Окситенки - аэрация воздухом, обогащенным кислородом или чистым кислородом.

Фильтротенки и мембранные биореакторы - с откачкой сточной воды из аэротенки через фильтр или мембрану для заделки активного ила в аэротенки.

Шахтные аппараты - представляют собой колонны или шахты для повышения давления воды.

Аэроакселераторы - аэротеки, совмещённый со вторичным отстойником.

Окислительные каналы - с циркуляцией сточных вод и системами поверхностной аэрации.

Конструкция с биопленкой: очистка производится на поверхности носителя (загрузочного материала), покрытого биопленкой из МО и внеклеточных продуктах их жизнедеятельности - в основном ферменты; по конструкции - различные биофильтры.

Промежуточное положение между сооружениями с активным илом и биопленками занимают - биотенки, биосенсоры, реакторы со взвешенным псевдоожиненным слоем.

Система анаэробной очистки применяется для сбраживание высококонцентрированных стоков, осадков, активного ила. Процессы с исп. традиционных конструкций осущ. в септитенках (септиках), метантенках, контактных биореакторах.

Септики (септитенки) - это горизонтальные отстойники закрытого типа, в которых образовавшийся на дне осадок перегнивает и разлагается анаэробными МО.

В метантенках уже осущ. перемешиваете, обогрев и контроль сырья, интенсивность загрузки аппарата. Выделяющийся биогаз (метан, водород, уговорил, вода) собирают и используют. В контактных биореакторах очистка происходит с перемешиванием и с исп. вторичного отстойника для определения ила.

Преимущества биологической очистки СВ: *меньше эксплуатационные затраты; *простота в эксплуатации; *универсальность; *нетоксичные отходы (3 и 4 класс опасности); *возмодность очистки больших объёмов сточных вод разного способа. Недостатки: *высокая стоимость очистных сооружений; *чувствительность к параметрам окр. среды (температура, рН, токсичные примеси); *необходимость строго технологического режима очистки; *устойчивость полюантов к биодеградации; *необходимость разбавления конц. стоков => низкая скорость разложения загрязнений.

Наиболее часто работы сооружений биологической очистки характеризуют следующими показателями: 1. степень очистки по загрязнению; 2. нагрузка по орган. ве-ву на ил; 3. Окислительная мощность; 4. натурщика по воде; 5. время пребывания воды в сооружении; 6. прирост ила; 7. возраст ила.

Аэробная биологическая очистка

Активный ил - представляет собой хлопья размером от 0,1 до 3 мм, состоящих из частично активных, частично отмирающих МО (~70%) и тв частиц неорганической природы (~30% от состава). В состав входят: полисахариды, полиуроновые ки-ты, внеклеточные белки. Полисахариды окружают бактериальные клетки и скрепляют частицы в хлопья. Активный ил имеет большую поверхность => высокую адсорбционную способность. На его поверхности концентрируется поступающие со сточной водой мелкие частицы, клетки МО и молекулы растворенных ве-в. Важнейшие св-ва ила: способность к хлопьеобразованию или флокуляции; способность к седиментации. В зависимости от возраста выделяют три основных типа ила: 1.Ил, работающий на неполное окисление органических загрязнений - возраст наименьший; 2.Ил, формирующийся в режиме полного окисления; 3.Ил, формирующийся в режиме полного окисления с дальнейшей нитрификацией - наибольший возраст.

При устойчивых нагрузках на активный ил и отсутствие токсичных примесей в сточных водах формируются крупные, компактные, хорошо флокулирующие хлопья ила. В очистных сооружений исп. активный ил, сформировавшийся естественным путём и состоящий из микрофлоры, адаптированный у определённому спектры загрязнений. В окислении загрязнений СВ основная роль принадлежит бактериям, число которых в расчёте на 1 г сухого ила 10⁸ - 10¹⁴ клеток.

1. Бактерии:

При аэробной очистке протекает два наиболее высоких микробиолог. процесса: окисление органического углерода и нитрификация. Наиболее многочисленны среди бактерий Pseudomonas ~80% активного ила - способные окислять различные спирты, ЖК, алканы, ароматические УВ, (сахара) углеводы и т.д. Флокулирующие бактерии: должны отсутствовать бактерии, которые образуют полисахариды. В сточных водах часто встреч. С-окисляющие нитчатые бактерии (с одной стороны выполняют положи-тельную роль и образуют каркас вокруг которых образуется флокула; отрицательная роль - явл. причиной, плохого осаждения ила в отстойнике и образование устойчивой пены в аэротенке. При нарушение технологических режимов очистки бактерии начинают интенсивно размножаться, их нити не включ. в частицы активного ила, ил вспухает, плохо оседает в отстойниках, не отделяется от очи-щенной воды и всё это ухудшает очистку. Оптимальным для качества очистки сточных вод явл. био-ценоз ила, в котором преобладает флокулирующие МО, а нитчатые содержатся в небольшом кол-ве.

В СВ, богатых углеводами, но с дефицитом азота происходит интенсивное развитие молочно-кислых бактерий, которые образуют большую капсулу (по толщине), что затрудняет осаждение ила во вторичном отстойнике, также встречаются целлюлозоразлагающие бактерии. В период длительного голодания МО в биоценозе активного ила некоторые бактерии образуют споры (защитный механизм), что повышает устойчивость активного ила при изменении состава СВ, ещё выделяют бактерии нитрофакаторы, которые окисляют ионы аммония, что способствует удалению азота из сточных вод. Численность нитрофикаторов увеличивается с возрастом ила. В активном мое содержится фосформинерализующие бактерии; серобактерии и тионовые бактерии, которые окисляют S и др. S-содержащие соед.

2. Грибы

Встречаются дрожжи и плесневые грибы в активном иле. Дрожжи развиваются в сточных водах, богатых углеводами, УВ и органическими ки-тами. При поддержании рН от 3,5 до 6 биоценозы с доминированием дрожжей будут иметь высокую окислительную способность. Однако применени дрожжей ограничено их слабой седиментационной способностью и неполнотой окисления загрязнений. Плесневые грибы способны усваивать трудноокисляемые и токсичные соед., в частности фенолы и т.д. Оптимум рН их развития 4,0-4,5. Грибы образуют разветвлённые гифы, которые затрудняют образование хлопьев и осаждения ила. Кроме того или будет вспухать. Поэтому для предотвращения обильного развития грибов и вспухание ила, очистку проводят при рН 6,8 до 7,2.

3. Простейшие

Простейшие участв. в потребление органических ве-в, однако простейшие поглащают избыточное потребление бактерий, тем самым регулируют возрастной и рядовой состав МО в активном иле. Кроме того, поглощая большое кол-во бактерий, простейшие способствуют выходу бактериальных экзоферментов. Также, по сравнению с бактериями, простейшие более чувствительны к изменению хим. и физических условий среды в колебание технологических параметров очистки, поэтому по численности простейших из видовому составу и состоянию можно судить о работе очистных сооружений. При недостатке растворенного О2 многие простейшие увеличиваются в объёме и потом погибают. При дефиците питания уменьшается простейшие, они становятся прозрачные, из пищеварительные вакуоли исчезают.